十大经典物理实验(五)

卢瑟福发现核子

卢瑟福是英国物理学家，1871年8月30日生于新西兰纳尔逊的一个手工业工人家庭，1937年10月19日因病在剑桥逝世.他1895年在新西兰大学毕业后，获得英国剑桥大学的奖学金进入卡文迪许实验室，成为汤姆孙的研究生.1898年，在汤姆孙的推荐下，担任加拿大麦吉尔大学的物理教授.1907年返回英国出任曼彻斯特大学的物理系主任.1919年接替退休的汤姆孙，担任卡文迪许实验室主任.1925年当选为英国皇家学会会长.1931年受封为纳尔逊男爵.他提出了原子结构的行星模型，在放射性和原子结构等方面做出了重大的贡献，因此荣获了1908年诺贝尔化学奖，他是最先研究核物理的人，他的发现在很大范围内有重要的应用，如核电站、放射标志物以及运用放射性测定年代，被称为近代原子核物理学之父.

卢瑟福发现核子的实验在十大经典物理实验中排名第九.

在汤姆孙发现电子之后，科学家们提出了许多原子结构的模型，其中较有影响的是他本人提出的一种模型，他认为，原子是一个球体，正电荷弥漫性地均匀分布在整个球体内，电子镶嵌其中.

为了研究原子的结构，1909年，卢瑟福指导他的学生盖革和马斯顿进行了著名的α粒子散射实验研究.实验的装置如图所示，主要由α粒子源、金箔、荧光屏、放大镜和转动圆盘几部分组成.荧光屏和放大镜能够围绕金箔在一个网周上转动，从而可以观察到穿过金箔后偏转角度不同的α粒子.这种观察是十分艰苦细致的工作，所用的时间也是相当长的.

实验发现，绝大多数α粒子穿过金箔后，基本上仍沿原来的方向前进，但有少数α粒子发生了大角度的偏转，偏转的角度甚至大于90。卢瑟福对实验结果进行了深入的分析：

首先，电子不可能使α粒子发生大角度的偏转.α粒子跟电子碰撞过程中，两者动量的变化量大小相等.由于α粒子的质量是电子质量的7 300倍，在碰撞前后，质量大的α粒子速度几乎不变，而质量小的电子速度要发生变化，因此，α粒子与电子正碰时，不会出现被反弹回来的现象.发生非对心碰撞时，α粒子也不会有大角度的偏转.可见，电子使α粒子在速度的大小和方向上的改变都是十分微小的.

其次，按照汤姆孙的原子模型，正电荷在原子内部均匀地分布，α粒子穿过原子时，由于粒子两侧正电荷对它的斥力有相当大一部分互相抵消，使a粒子偏转的方向也不会很大.α粒子的大角度偏转现象，说明了汤姆孙模型不符合原子结构的实际情况.实验中发现少数α粒子发生了大角度偏转，甚至反弹回来，表明这些α粒子在穿过原子中的某个地方受到了质量、电荷量均比它本身大得多的物体的作用.

再有，金箔的厚度大约是1μm，金原子的直径大约是3×10-10 m.绝大多数α粒子在穿过金箔时，相当于穿过几千个金原子的厚度，但它们的运动方向却没有发生明显的变化，这个现象表明了α粒子在穿过时基本上没有受到力的作用，说明原子中的绝大部分是空的，原子的几乎全部质量和正电荷都集中在体积很小的核上.

据此，卢瑟福于1911年提出了原子的核式结构模型：原子中带正电部分的体积很小（他称之为“核子”，后来叫做原子核），但几乎占有全部质量，电子在正电体的外面运动.

卢瑟福发现核子的实验，是一个标志着原子物理和原子核物理肇始的具有里程碑性质的重要实验.以散射为手段研究物质结构的方法，对近代物理有相当重要的影响.此外，这一实验方法也为材料分析提供了一种有力的手段，按此实验原理制成的“卢瑟福质谱仪”已得到广泛应用.

托马斯・杨的双缝演示应用于电子干涉实验

托马斯・杨的双缝干涉实验对波动光学的建立作出了伟大贡献，而其应用于电子干涉实验的成功则有力地证实了实物粒子的波粒二象性，揭示了微观世界的量子本性，开创了量子理论的新纪元.

托马斯・杨的双缝演示应用于电子干涉实验在十大经典物理实验中排名第一.

1923年，法国物理学家德布罗意在爱因斯坦光量子理论和玻尔的原子论的启发下，根据类比的方法把光的波粒二象性推广到更一般的物质粒子，提出实物粒子也具有波动性，即和光一样，也具有波粒二象性.根据德布罗意理论，电子的德布罗意波长

，其

中h为普朗克常量，P为电子的动量.1924年，德布罗意在其博士论文《关于量子理论的研究》中提出把粒子性和波动性统一起来.

“波动”和“粒子”都是经典物理学中从宏观世界里获得的概念，与我们的直观经验较为相符.然而，微观客体的行为与人们的日常经验毕竟相差很远.如何按照现代量子物理学的观点去准确认识、理解微观世界本身的规律呢？玻尔和爱因斯坦试图以电子束代替光束，将托马斯・杨的双缝演示应用于电子干涉实验，以此来讨论量子物理学中的基本原理，可是，由于技术的原因，当时它只是一个思想实验.

1961年德国学者约恩孙发表了一篇论文，介绍了他用电子束做的一系列衍射和干涉实验.其中他做的双缝干涉实验，与托马斯・杨用可见光做的双缝干涉实验所得到的图样基本相同.约恩孙实验时用50 kV电压加速电子束，然后垂直射到长为50 mm、宽为0.3 mm、缝间距为1 mm的双缝上，在与双缝距离约为35 cm的光屏上得到了干涉条纹，并用照相机记录了图样结果.根据量子力学，电子流被分为两股，被分得更小的粒子流产生波的效应，它们相互影响，以至产生像托马斯・杨的双缝演示中出现的加强光和阴影，这说明微粒也有波的效应.约恩孙的电子干涉实验是对德布罗意的物质波理论的又一次实验验证.

对电子波动性的正确解释是统计解释.从干涉实验来看，不仅用较强的电子流可以在极短的时间内得到电子干涉图，而且用很弱的电子流（电子先后一个一个射出），只要时间足够长，也可得到同样的图.开始，一个个电子分别随机到达屏幕的一个个点上，不能一下子得到干涉图.我们不能预测某一个电子到达屏幕上的位置.但是，电子落在屏幕上的点不是都重合在一起，经过足够长时间，通过了大量的电子，则看出规律，得到干涉图，显示了波动性.在电子出现概率大的地方，出现亮纹，即干涉强度大的地方.反之，电子出现少的地方，出现暗纹，干涉强度就小.说明电子的波动性是和电子运动的统计性规律联系在一起.个别电子虽然没有确定的运动轨道，但它在空间任意一点的强度与它出现的概率密度成正比.所以，物质波是概率波.物质波的物理意义与经典的机械波、电磁波均不同.机械波是介质质点的振动在空间的传播，电磁波是电磁场的振动在空间的传播.而物质波并无类似的直接的物理意义，只反映客体在空间各区域出现的概率大小.与光波一样，物质波也是概率波，微观粒子运动时在空间出现的位置，可根据概率分布来确定.

现在，人们还用电子双棱镜替代双缝做电子干涉实验，同样得到了干涉条纹（如图所示）.

这几期中介绍的十大经典物理实验都抓住了物理学家眼中最美丽的科学之魂：由简单的仪器和设备，发现了最根本、最单纯的科学概念.十大经典物理实验犹如十座历史丰碑，扫开人们长久的困惑，开辟了对自然界的崭新认识，这些实验的构思，设计者的匠心，技术之精湛，方法之巧妙和结果之精确，着实令人钦佩.我们要继承发扬他们艰苦探究的创新精神，培养独立思考、勇于实践的优良品格，方能在科学研究中有所作为.